路基凍脹對高速鐵路軌道結構形變的影響分析★

郭 毅 李秀玲 楊 行

(昆明鐵道職業技術學院，云南 昆明 650217)

我國已建、在建和擬建的高速鐵路與客運專線1/3以上均位于深季節凍土地區[1,2]。該地區高速鐵路的路基在冬季會出現凍脹變形，使軌道結構的整體性受到破壞，鋼軌產生幾何不平順，迫使列車的運營速度降低。當軌道結構發生形變或者破壞時，列車高速通過將引起車軌系統的劇烈震動，進一步加劇對軌道結構的破壞，甚至威脅到行車的安全性。可見路基凍脹變形會對行車的安全性和舒適性產生嚴重的威脅，同時大大縮短高速鐵路軌道系統的服役性能和壽命。本文利用ANSYS軟件建立了CRTSI型板式無砟軌道模型，分析了單一諧波的路基凍脹變形對軌道結構形變的影響，以期為凍區軌道的養護維修提供參考。

1 路基凍脹變形傳遞模型

1.1 CRTSI型板式無砟軌道

為加快計算，文中所建立的軌道模型為實際結構的一半，采用對稱約束，并且不考慮凸臺的影響，見圖1。模型中，鋼軌使用梁單元Beam188模擬，扣件及膠墊使用彈簧單元Combin14模擬，其他結構使用實體單元Solid185模擬。在底座板下表面和路基上表面采用Targe170和Conta174接觸單元模擬路基的散體特性。軌道縱向長度約為100 m，考慮底座板伸縮縫，每3塊軌道板設置一條伸縮縫，無砟軌道所使用的參數見文獻[3]。

1.2 路基凍脹變形模型

本文所采用的路基凍脹變形模型[4]如圖2所示。

該模型的數學表達式為：

其中，f0為凍脹變形的幅值；x為發生凍脹變形的位置；x0為凍脹變形的起始位置；l0為凍脹變形的波長；y為路基在凍脹變形范圍內的凍脹變形值。本文僅研究路基凍脹變形發生后，對上部軌道結構的影響，因此將上述的路基凍脹變形模型加載在路基上表面，作為計算模型的輸入。

2 路基凍脹對軌道結構的影響

根據某高速鐵路的靜態檢測數據顯示[3]，該線路在2011年—2012年、2012年—2013年均出現了一定數量的路基凍脹變形，變形的幅值主要集中在4 mm～16 mm，波長集中在6 m～20 m之間。故本文選取波長10 m、幅值10 mm作為算例進行計算分析，并在此基礎上分別研究波長和幅值的變化對軌道結構的影響。

2.1 凍脹位置的影響

為探明路基凍脹發生的位置是否對軌道結構變形產生不同的影響，文章將凍脹變形的波峰分別設置在底座板的中間位置和伸縮縫處，變形云圖如圖3所示。可見，底座板與路基表面之間均出現了一定程度的離縫。當路基凍脹變形發生在底座板中間位置時，底座板與路基表面之間產生了對稱分布的2處離縫；當發生在伸縮縫處時，路基表面與底座板之間產生了3處離縫。

圖4為無砟軌道上部各層結構的變形情況。兩種情況下鋼軌、軌道板、CA砂漿與底座板的變形基本一致，變形曲線與路基凍脹變形曲線相似，但是由于底座板與路基表層之間出現了一定程度的離縫，使得上部結構的波長較路基凍脹變形的波長有所增加。同時，各層結構變形的最大值與凍脹幅值基本相同，只是凍脹發生在伸縮縫處時，上部結構變形的最大值略大于凍脹幅值。

離縫量的計算結果如圖5所示，當發生在底座板中間位置時，離縫量的最大值為4.83 mm；當發生在伸縮縫處時，左右兩側的最大離縫量為1.87 mm，中心處的離縫量為1.01 mm。即凍脹變形發生在底座板中間位置時，所產生離縫的最大值是伸縮縫處的2.58倍。離縫產生后，列車高速通過離縫區時，將會產生巨大的沖擊和拍打，加速軌道結構的損傷，甚至對行車安全造成威脅。因此，從減小離縫對軌道結構和行車安全的影響的角度看，需對發生在底座板中間位置的凍脹變形給予重點關注。

2.2 凍脹波長的影響

本節以幅值為10 mm的凍脹變形為研究對象，計算凍脹波長在5 m～30 m范圍內變化時，軌道上部結構變形和層間離縫的變化規律。計算時，將凍脹變形的作用位置設置在底座板的中間位置。

圖6給出了鋼軌的幾何變形隨波長的變化規律。可見，無論路基凍脹的波長是否發生變化，只要幅值一定時，鋼軌幾何變形的最大值基本保持一致，其波長則隨著凍脹波長的增加而增加。底座板與路基表面的離縫狀況如圖7所示。當凍脹波長的變化范圍為5 m～15 m時，離縫最大值由5 m時的8.29 mm線性減少至15 m時的1.57 mm。凍脹波長在15 m～20 m范圍內變化時，離縫最大值隨波長增加而減小的變化速率較前一階段明顯降低。隨著波長進一步增加至30 m時，兩者之間的離縫量接近為0，說明在該計算工況下，底座板與路基的變形基本一致，列車通過時不會因為層間離縫而產生沖擊和拍打。綜上，在凍脹幅值不變時，隨著凍脹波長的增加，軌道上部結構的變形與凍脹變形趨于一致。因此在線路的養護維修過程中，對于凍脹幅值相當的路段，需要重點關注波長較短的凍脹變形。

2.3 凍脹幅值的影響

本節以波長為10 m的凍脹變形為研究對象，計算了凍脹幅值在5 mm～30 mm范圍內變化時，軌道結構變形和層間離縫的變化規律。計算時，仍然將凍脹變形的作用位置設置在底座板的中間位置。

圖8為10 m波長條件下，凍脹幅值變化時，鋼軌的變形情況。可以看出，在題設條件下，鋼軌變形的最大量基本上能夠與輸入的凍脹幅值保持一致，而鋼軌變形的波長在題設范圍內的增大量相差不大，在5 mm～30 mm的范圍內，鋼軌幾何變形的波長擴大量大致相當，大約為7 m，即左右兩邊離縫的長度和。圖9為層間離縫隨凍脹幅值的變化情況。在凍脹波長為10 m的條件下，離縫最大值由5 mm時的2.0 mm線性增大至30 mm時的16.78 mm，整個變化過程基本上呈線性增加的關系，說明凍脹幅值對層間離縫的影響較為明顯，在線路的養護維修中，對于凍脹波長相當的路段，需要重點關注幅值較大的凍脹變形。

3 結語

1)路基凍脹會使無砟軌道各層結構產生一定程度的變形，變形曲線與凍脹曲線基本相似，同時，底座板與路基間會產生一定程度的離縫；2)當路基凍脹變形的峰值作用在底座板中間位置時所產生的離縫量數倍于其作用于底座板伸縮縫處；3)在凍脹幅值一定時，底座板與路基間的層間離縫量會隨著凍脹波長的增加呈非線性減少，即幅值一定時，波長越長的凍脹變形對無砟軌道結構的整體性破壞越小；4)在凍脹波長一定時，層間離縫的最大值會隨著凍脹幅值的增加呈線性增加，即波長一定時，幅值越大對軌道結構的整體性破壞越大。